CDH

Verwandte Lektüre

Einführungen

Cellobiose-Dehydrogenase (CDH) ist ein extrazelluläres Hemoflavoenzym, das von Pilzen ausgeschieden wird, um lignocellulolytische Enzyme bei der Biomasseabbau zu unterstützen. Ihre katalytische Flavodehydrogenase (DH)-Domain gehört zur Familie der Glukose-Methanol-Cholin-Oxidoreduktasen, die der Glukoseoxidase ähnlich ist. Die katalytische Domäne ist mit einer N-terminalen Elektronentransfer-Cytochrom (CYT)-Domäne verbunden, die mit Lytikpolysaccharid-Monooxygenase (LPMO) in der oxidativen Depolymerisation von Cellulose und Hemicellulose interagiert.

Klassifikationen

Auf der Grundlage der CDH-Sequenzanalyse wurden vier phylogenetische Klassen definiert. CDHs in diesen Klassen weisen unterschiedliche strukturelle und katalytische Eigenschaften in Bezug auf Cellulosebindung, Substratspezifität und die pH-Optima ihrer katalytischen Reaktion oder den interdomänen Elektronentransfer zwischen der DH- und CYT-Domäne auf. Die Struktur, der Reaktionsmechanismus und die Kinetik von CDHs der Klasse I und Klasse II wurden detailliert charakterisiert, und die rekombinante Expression ermöglicht die Anwendung in vielen Bereichen, wie Biosensoren, Bio-Brennstoffzellen, Biomasse-Hydrolyse, biosynthetischen Prozessen und der antimikrobiellen Funktionalisierung von Oberflächen.

Biologische Funktion

Die Zweidomänenstruktur von CDH, die aus einer flavinhaltigen Dehydrogenase-Domäne (DH) und einem Häm b-haltigen Cytochrom (CYT) besteht, das durch einen proteaseempfindlichen Linker verbunden ist, hat Spekulationen über die natürliche Funktion des Enzyms und seine Rolle bei der Depolymerisation von Lignocellulose ausgelöst. Die Fähigkeit von CDH, Eisen in die zweiwertige Form zu reduzieren, und ihre niedrige Oxidaseaktivität, die Wasserstoffperoxid produziert, bildeten die Grundlage für die am meisten unterstützte physiologische Funktion, die vorschlug, dass CDH an der Celluloseabbau beteiligt ist, indem sie die Substrate für die Fenton-Reaktion bereitstellt, um Hydroxylradikale zu erzeugen. Die Bildung reaktiver Hydroxylradikale wurde als fähig gezeigt, Cellulose abzubauen, und wird als ein Schlüsselmechanismus beim Abbau von Biomasse durch Braunfäulepilze angesehen. Für all diese vorgeschlagenen Mechanismen wäre jedoch die Aktivität der isolierten DH-Domäne ausreichend, und die Notwendigkeit für das Vorhandensein der CYT-Domäne bleibt unerklärt.

Bioelektrochemische Anwendungen

Die Anwendung von Enzymen als Katalysatoren in verschiedenen bioelektrochemischen Geräten, wie Biosensoren und Bio-Brennstoffzellen, hat die Forschung auf CDH gefördert, aufgrund der einzigartigen elektrokatalytischen Eigenschaften dieser Protein-Klasse. Der Elektronentransfer zwischen katalytisch aktiven Enzymen und Elektroden kann durch die Verwendung einer elektrochemisch aktiven Verbindung erreicht werden, die durch den Enzymumsatz erzeugt wird, die weiter mit der Elektrode reagiert und als Struktur eines Biosensors der ersten Generation bezeichnet wird. In Biosensoren der zweiten Generation wird der Elektronentransfer durch die Integration eines Redox-Mediators (MET) erreicht, entweder durch die Verwendung von frei diffundierenden redoxaktiven Spezies oder (gewöhnlich osmium-modifizierten) Polymeren. In der dritten Generation wird der direkte Elektronentransfer (DET) durch den direkten Transport von Elektronen vom Redoxzentrum des Enzyms zur Elektrode ohne Zwischenprodukte erreicht.

CDH als Bioelektrokatalysator

CDH weist verschiedene Eigenschaften auf, die es zu einem geeigneten Elektrokatalysator für Biosensoren oder Bio-Brennstoffzellen machen. Im Gegensatz zu anderen GMC-Oxidoreduktasen für die Kohlenhydratumwandlung kann es durch vermittelten Elektronentransfer (MET) oder direkten Elektronentransfer (DET) kontaktiert werden. CDH-basierte Biosensoren der zweiten und dritten Generation wurden entwickelt, um kommerziell oder medizinisch relevante Moleküle wie Glukose oder Laktose zu quantifizieren. Der Vorteil von Biosensoren der zweiten Generation ist ihre hohe Empfindlichkeit, und der Vorteil von Biosensoren der dritten Generation ist die Vermeidung von Redox-Mediatoren in implantierbaren Glukoseüberwachungssystemen. CDH-basierte Biosensoren der dritten Generation bieten eine robuste Leistung, da CDH und die mobile CYT-Strukturdomain eine gute thermische und Umsatzstabilität aufweisen, mit vielen Elektrodenmaterialien und Oberflächenmodifikationen interagieren können und angemessen hohe Stromdichten bereitstellen.